TW201938805A

TW201938805A - 多孔隙鎂合金之製程方法

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Publication number: TW201938805A
Application number: TW107108153A
Authority: TW
Inventors: 曾奕丰; 林津
Original assignee: 國立高雄科技大學
Priority date: 2018-03-09
Filing date: 2018-03-09
Publication date: 2019-10-01
Also published as: TWI667353B

Abstract

本發明係有關於一種多孔隙鎂合金之製程技術，其係鎂粉與鋁粉及尿素混合，再經由模具壓實成生胚件，並利用溶劑熔解生胚件內部的犧牲材料尿素，再以固相燒結的方式製作多孔隙鎂合金，而以本發明所生產之多孔隙鎂合金，具有孔洞均勻度高、容易控制孔隙率、製程簡單、製造週期短、可大量製造、成本較低之優點，實係為一理想的多孔隙鎂材，其輕量、密度小、高剛性、減震、阻尼、吸音、散熱、防火、能量吸收良好和電磁屏蔽佳，可運用領域甚廣，包括：汽機車防撞材料、公路吸音材、建築防火材、船舶及航太工業上的材料。

Description

多孔隙鎂合金之製程技術

本發明係有關於一種多孔隙鎂合金之製程技術，其係將金屬粉末與犧牲材料混和壓實成生胚件，並利用溶劑熔解犧牲材料後再燒結出多孔隙鎂合金，本發明之製程具有容易控制孔隙率、成本較低、製程簡單且製造週期短之優點。

按，輕型材料一直是世界各國研發的重點，多孔隙材料中如高分子材料、玻璃材料、陶瓷材料與金屬材料等，因其具有效降低密度並保留部分原材料之特性受到廣泛的研究與討論。其中多孔隙金屬之強度-重量比高，且同時擁有良好的衝擊性與優良的能量吸收性質外，還具有阻尼、吸音、散熱、防火、和電磁屏蔽等特性，故其在各種工業應用上有良好的潛力。

其次，多孔隙金屬材料具有多孔隙、輕量、密度小、高剛性、減震、阻尼、吸音、散熱、防火、能量吸收良好和電磁屏蔽等特性，目前應用於汽車之外層夾板、高速公路旁的吸音牆、輕量結構的填充材、熱交換器、航空用儲液設備、燃料電池電極、抗震結構材料、生醫材料、防火隔板及軍事用途，全世界具知名度的生產公司有，德國的Alulight、Alcarbon，日本的Alporas，美國的Duocel，加拿大的Cymat、Alcan及挪威的Hydro皆有其運用。

其中，多孔隙金屬在受到壓力或衝擊時，結構會發生大量的變形，在變形過程中應力值較低，因此多孔隙金屬可製作成能量吸收裝置，此裝置安置於防護欄上，當護欄受到衝擊時可吸收能量。多孔隙金屬的吸能裝置亦可安裝於汽車的保險桿與車體之間，當車輛發生碰撞時能大量吸收動能，不但有效降低衝擊對乘客的傷害，亦可降低碰撞對車體結構的破壞。

此外，多孔隙金屬具有良好的吸音效果，可應用於吸音設備中，該吸音設備能架設於隧道內、高速公路兩側或高架橋下方等等，可用來吸收汽車、火車、高鐵所產生的噪音。

現今的多孔隙金屬製程當中，通常分為熔融製程與粉末製程兩大類，熔融製程較適用於製作大型的工件，而在小型與特殊形狀的零件中，以熔融製程生產是非常有難度的，主要原因為受限於製造過程中攪拌設備與模具的大小。相較於熔融製程來說，粉末製程可製作出小型、特殊形狀且孔洞均勻度較佳的多孔隙金屬而受到高度的關注。粉末製程又可加以細分為以發泡劑(TiH₂、CaCO₃等等)發泡法或以犧牲材料(Carbamide、NaCl等等)的燒結與溶解製程技術(SDP)……等。

本發明特別開發以球型尿素為犧牲材料搭配溶解與燒結製程技術製作多孔隙鎂合金，本發明所生產之多孔隙鎂合金具有孔洞均勻度高、容易控制孔隙率、製程簡單、製造週期短、可大量製造、成本較低之優點。

本發明係有關於一種多孔隙鎂合金之製程技術，現今多孔隙金屬的發展之主要目的在降低材料的密度，較常見的材料以多孔隙鋁材為最大宗，而鎂是最輕的結構性金屬材料，但鎂在高溫下容易有腐蝕、氧化等特性所以不易開發製作，故本發明以金屬粉末製程中較新穎之燒結溶解製程(SDP,Sintering Dissolution Process)製作多孔隙鎂材，犧牲材料選用成本低、溶解度高且形狀為球型的尿素(Carbamide)。

首先，本發明之製造程序分為1、粉末材料混合階段。2、製作生胚件階段。3熔解犧牲材料階段。4、燒結階段。5、多孔隙鎂合金成品。其中，在粉末材料混合階段，該鎂粉與鋁粉的比例為9：1、19：1或其他比例，而犧牲材料尿素重量百分比為40~60%，並在進行粉末混合前需在尿素上噴灑2vol%的乙醇，再將其倒入V型混合機內混合1-2小時。

其次，製作生胚件階段需先將混合後的粉末進行壓實(Compaction)，使其固化成形，而本發明生胚件的製作是由油壓沖床來製作，將混合後的粉末填入成型模具內，再以200-400Mpa的壓力進行單軸的壓製，並給予相等壓力下的1-2分鐘之保壓，最後以頂出裝置將模具內的已成型的生胚件頂出，而為成形後的生胚件。

接著，將移除生胚件內部之犧牲材料尿素，該尿素(Carbamide)是無色晶體或粉末，尿素在水的作用下分解成氨與二氧化碳，其化學反應式為CO(NH₂)₂+H₂O=CO₂↑+2NH₃↑，即能利用此現象溶解並移除內部的犧牲材料尿素，使生胚件內部產生孔洞狀的結構，然後將水解後的生胚件放入加熱爐加熱，再進行乾燥過程以去除生胚件內部的水份。特別在乾燥過程前必須確認大部分尿素溶解，如未完全溶解將在乾燥過程產生瑕疵。

在燒結階段之程序，係將通過乾燥過程的生胚件放入乾鍋中，並將其置入真空爐中央內，再以真空泵浦抽真空至爐內壓力為3Pa以下(約為2×10^-2torr)，灌入保護氣體六氟化硫(SF6)與二氧化碳(CO₂)的混合氣體防止多孔隙鎂材在高溫下的氧化、燃燒反應。真空爐燒結溫度的上升曲線為每分鐘4℃，使燒結溫度維持在400℃~600℃，持溫時間為2~3小時，最終燒結完成的多孔隙鎂材將在爐內自然冷卻至室溫。

本發明之關鍵控制參數為，壓實的保壓時間、鎂粉與鋁粉的比例、尿素所佔之重量百分比、粉末混合的時間、燒結的溫度、燒結的時間都會影響鎂合金之孔徑分布及鎂合金的強度，故本發明係經測試改良後，採用最佳的製程技術，開發出的多孔隙鎂合金可適用於汽機車防撞材料、公路吸音隔板、建築防火牆、船舶、航空航太...等領域之材料。

〔本發明〕

a‧‧‧粉末材料混合階段

b‧‧‧製作生胚件階段

c‧‧‧熔解犧牲材料階段

d‧‧‧燒結階段

e‧‧‧多孔隙鎂合金成品

e1‧‧‧防撞材

e2‧‧‧防火材

e3‧‧‧吸音材

1‧‧‧生胚件

10‧‧‧金屬粉末

11‧‧‧尿素

12‧‧‧鎂粉

13‧‧‧鋁粉

2‧‧‧混合機

3‧‧‧成型模具

5‧‧‧真空爐

51‧‧‧乾鍋

52‧‧‧真空泵浦

23‧‧‧混合氣體

第1圖係本發明之製作流程圖。

第2圖係本發明階段性之操作示意圖。

第3圖係本發明金屬粉末之壓實作動圖。

第4圖係本發明生胚件之立體圖。

第5圖係本發明生胚件熔解犧牲材料之示意圖。

第6圖係本發明形成多孔隙生胚件之立體剖面圖。

第7圖係本發明燒結多孔隙生胚件之示意圖。

第8圖係本發明多孔隙鎂合金之立體圖。

第9圖係本發明多孔隙鎂合金之實施例圖。

第10圖係本發明多孔隙鎂合金使用之示意圖。

本發明係有關於一種多孔隙鎂合金之製程技術，現今多孔隙金屬的發展之主要目的在降低材料的密度，較常見的材料以多孔隙鋁材為最大宗，而鎂是最輕的結構性金屬材料，但鎂在高溫下容易有腐蝕、氧化等特性所以不易開發製作，故本發明以粉末製程中較新穎之燒結溶解製程(SDP,Sintering Dissolution Process)製作多孔隙鎂材，犧牲材料選用成本低、溶解度高且形狀為球型的尿素(Carbamide)。

首先，請參閱第1圖所示，係本發明之製作流程圖，其製造程序為1、粉末材料混合階段a。2、製作生胚件階段b。3、熔解犧牲材料階段c。4、燒結階段d。5、多孔隙鎂合金成品e。其中，在粉末材料混合階段a，其係先在尿素11上噴灑2vol%的乙醇，可增加尿素11與粉末的結合度及均勻度，再將比例為9：1、19：1或其他比例之鎂粉12與鋁粉13混合。

其次，請繼續參閱第2圖所示，係本發明階段性之操作示意圖，將鎂粉12、鋁粉13與尿素11一起倒入V型混合機2內進行混合1-2小時，因粉末混合的時間會影響多孔隙鎂材孔洞的均勻度與粉末表面的氧化程度，進而影響其機械性質；混合時間過短會造成尿素11顆粒過於集中，經溶解後會使多孔隙鎂材外觀產生瑕疵，時間太長則會使粉末表面過度氧化，導致機械性質降低同時也會增加製程的週期，故本發明經測試後採用混合1小時達到混合均勻。

然後，請再繼續參閱第1圖並配合第3圖所示，製作生胚件階段b，係先將金屬粉末10壓實(Compaction)能使金屬粉末10由鬆散轉為堅固形體的生胚件1(如第4圖所示)，也是多孔隙鎂材成型的主要關鍵，壓力過小會使生胚件1緻密度不夠、機械鍵結力不足，受到輕微碰撞時生胚件1將產生裂痕、破裂甚至化為成型前的粉末狀，而本發明生胚件1的製作是由油壓沖床來製作，將混合後的金屬粉末10填入成型模具3內，再以200-400Mpa的壓力進行單軸的壓製，並給予相等壓力下的1分鐘之保壓，最後以頂出裝置將成型模具3內生胚件1頂出。

接著，請繼續參閱第5圖所示，係移除生胚件1之熔解犧牲材料階段c，該尿素11是無色晶體或粉末(圖中未顯示)，而尿素11能在水的作用下分解成氨與二氧化碳，其化學反應式為CO(NH₂)₂+H₂O=CO₂↑+₂NH₃↑，即能利用此化學反應來溶解並移除生胚件1內部的犧牲材料尿素11(圖中未顯示)，使生胚件1內部產生孔洞狀的結構(如第6圖所示)。在20℃的水中尿素溶解度為1080g/L，該生胚件1在水中時尿素11與水反應釋放氣體，再將水解後的生胚件1經過放入加熱爐加熱，並進行乾燥過程以完全去除生胚件1內部的水份。特別在乾燥過程前必須確認大部分尿素11溶解，如未完全溶解將在乾燥過程產生瑕疵，因為尿素11在熔點133℃開始慢慢融化，當溫度超過152℃時反應加劇使尿素11汽化分解為氨氣與異氰酸(HNCO)，並在溫度達160℃-190℃時繼續分解且與異氰酸反應生成縮二脲(Biuret)，縮二脲在193℃時分解融化，為提升生胚件1之孔隙率，本階段可依孔隙率大小或密度上之需求實施一次以上的熔解。

當在燒結階段d時，請配合參閱第7圖所示，其係將生胚件1加熱到低於主要成份的熔點溫度以下，原子在高溫中的互相移動使粉末間的距離改變，造成相結合並產生緻密化的現象，其原理為藉由熱能轉化成動能使原子進行擴散及晶粒成長，本發明利用固相燒結，燒結時間為2-3小時，再使用六氟化硫(SF₆)為保護氣體，因六氟化硫SF₆不同於其他保護氣體，它可以在多孔隙鎂材表面成形成不易氧化的保護膜，達到良好的防止氧化效果，而六氟化硫SF₆較昂貴且為容易造成溫室效應的氣體，因此在本發明中六氟化硫SF₆添加量為1%，並與二氧化碳(CO₂)混合作為燒結製程中的保護氣體。

關於燒結階段d之程序，請仍然閱第7圖所示，先將通過乾燥過程的生胚件1放入乾鍋51中，並將其置入真空爐5中央內，再以真空泵浦52抽真空至真空爐5管內壓力為3Pa以下(約為2×10^-2torr)，接著灌入保護氣體SF₆與CO₂的混合氣體53防止多孔隙生胚件1在高溫下的氧化、燃燒反應。而該真空爐5內燒結溫度的上升曲線為每分鐘4℃，使燒結溫度為400℃~600℃並持溫時間2~3小時，最終燒結成多孔隙鎂合金成品e將在爐內自然冷卻至室溫(如第8圖所示)。

本發明實際運用時，請再參閱第9圖及第10圖所示，該多孔隙鎂合金能依據需求製成所需的汽車工業的防撞材e1、建築業所需的防火材e2、或公路工程之吸音材e3，而能將本發明之多孔隙鎂材作為高強度、輕量化的防撞材e1、防火材e2及吸音材e3，其運用範圍廣泛，可利用其特質來作為各種產業所需的材料，實為一理想的多用途材料。

本發明之關鍵在於控制，粉末壓實的保壓時間、鎂粉與鋁粉的比例、尿素所佔之重量百分比、粉末混合的時間、燒結的溫度、燒結的時間的參數，該參數會影響鎂合金之孔徑分布及鎂合金的強度，而本發明經過實驗、測試後為理想的多孔隙鎂材，其中，本發明製程技術具有下述優點：

1、本發明以六氟化硫(SF₆)+二氧化碳(CO₂)防止鎂氧化，開發燒結溶解製程，以製造高性能多孔隙鎂合金。

2、孔洞均勻性與比抗壓強度之相關係數為0.4674，即孔洞均勻性影響抗壓強度，而本發明能達到較佳的孔洞均勻性。

3、依ANOVA分析得知，影響多孔隙鎂材製程中的控制因子為：尿素比例、燒結溫度、保壓時間，在本製程中需嚴格控制此三項因子。

4、本發明之多孔隙鎂合金的製造溫度較多孔隙鋁材低，較省能源並具有成本低的優勢。

5、本發明之多孔隙鎂合金具有更強的電磁遮罩能力、更好的生物吸收性能和生物降解能力。

6、本發明之多孔隙鎂合金的強度及剛度皆比多孔隙鋁材高，更適合作為結構材料。

綜上所述，故本發明係經測試改良後，採用最佳的製程技術，開發出的多孔隙鎂合金可適用於汽機車工業、建築工業、公路建材、船舶、航空航太、軍事、生技...等領域之材料。

Claims

一種多孔隙鎂合金之製程技術，其主要步驟如下說明：a、粉末材料混合階段：其先在尿素上噴灑2vol%的乙醇，再將比例為9：1或19：1之鎂粉與鋁粉，以及尿素40~60wt.%一起進行混合1~2小時，使其均勻混合；b、製作生胚件階段：係將混合後之金屬粉末以油壓沖床進行粉末壓實，其以200-400Mpa的壓力進行單軸的壓製，並給予相等壓力下的1~2分鐘之保壓，再利用頂出裝置將模具內的已成型的生胚件頂出；c、熔解犧牲材料階段：將生胚件放入去離子水中，該生胚件內部的尿素為球型尿素顆粒，利用尿素遇水產生之二氧化碳與氨，即能溶解並移除生胚件內部的犧牲材料，使生胚件內部產生孔洞狀的結構，並將該水解後的生胚件放入加熱爐加熱，使其乾燥以去除生胚件內部的水份；d、燒結階段：係將乾燥後之生胚件放入真空爐中央內，再以真空泵浦抽真空至管內壓力為3Pa以下(約為2×10^-2torr)，灌入保護氣體1%六氟化硫(SF6)與99%二氧化碳(CO₂)的混合氣體，而該真空爐燒結溫度的上升曲線為每分鐘4℃，使燒結溫度為400℃~600℃並持溫時間2~3小時，最終燒結完成的多孔隙鎂合金在爐內自然冷卻至室溫。
如請求項1所述多孔隙鎂合金之製程技術，其中，該多孔隙鎂合金的孔洞均勻性與比抗壓強度之相關係數介於0.4~0.5之間。
如請求項1所述多孔隙鎂合金之製程技術，其中，該熔解犧牲材料階段為一次以上。